Верна ли формулировка для лазера, что он имеет отрицательную температуру по шкале Кельвина? Например, второй закон термодинамики гласит, что с увеличением энергии увеличивается беспорядок в системе, а для лазера все наоборот.
ОТВЕТ
Эта формулировка верна, но она требует некоторого пояснения. Прежде всего, отметим, что речь идет о температуре по шкале Кельвина. Температура связана с движением частиц, и на шкале Кельвина ноль соответствует ситуации, когда средняя кинетическая энергия частиц наименьшая. Чтобы понять, что означает отрицательная температура, нам необходимо более подробно рассмотреть определение температуры.
Температура определяет, как изменяется энтропия при изменении внутренней энергии. Энтропия, с другой стороны, определяет, в скольких конфигурациях может находиться система при заданной энергии. Обычно, когда энергия системы увеличивается, число возможных конфигураций возрастает, поэтому энтропия увеличивается. Такое поведение является типичным и соответствует положительной температуре по шкале Кельвина.
Отрицательная температура означает, что по мере увеличения энергии количество конфигураций, в которых может находиться система, уменьшается. Это означает, что конфигураций с высокой энергией меньше, чем конфигураций с низкой энергией.
В классической физике такая ситуация труднодостижима, поскольку число высокоэнергетических конфигураций неограниченно, так как скорости частиц практически не ограничены. В квантовой физике, с другой стороны, такие ситуации возможны, и лазер является примером их использования.
В лазере мы имеем дело с инверсией заселенности: больше атомов находится в (определенном) возбужденном состоянии, чем в основном состоянии. Когда мы "накачиваем" лазер, то есть подаем энергию на атомы, количество атомов в возбужденном состоянии увеличивается. Что это означает для количества возможных конфигураций?
Наибольшее число конфигураций наблюдается, когда ровно половина атомов находится в основном состоянии и ровно половина - в возбужденном. С увеличением числа атомов в возбужденном состоянии число конфигураций уменьшается. Когда все атомы находятся в возбужденном состоянии, мы имеем ровно одну конфигурацию. Это означает, что, увеличивая энергию, мы уменьшаем число возможных конфигураций, а значит, уменьшаем энтропию. Следовательно, температура отрицательная.
Наконец, стоит отметить, что поскольку энтропия не может уменьшаться в процессе теплопередачи, тепло течет от тела с отрицательной температурой к телу с положительной температурой. В этом смысле тело с отрицательной температурой теплее, чем тело с любой большой положительной температурой (здесь мы все еще говорим о шкале Кельвина).
Комментарии
Отправить комментарий